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混合流体Rayleigh-Benard对流斑图的数值模拟研究

袁喆  
【摘要】: 热对流是一种常见的自然现象,与日常生产、生活息息相关。Rayleigh-Benard对流则是研究热对流现象的一个经典模型,是指在一个封闭的腔体内,其上表面温度恒定,下表面加热,从而形成温度差导致腔体内流体运动的流动现象。由于该系统试验简单易于控制,以及描述该系统的精确方程已知,便于理论分析,故该模型也是被普遍接受研究对流稳定性、时空结构和非线性特性的模型之一。 20世纪80年代以来,Rayleigh-Benard对流的研究已集中在二成份混合流体方面,实验已揭示该系统蕴含非常丰富的时空斑图动力学行为。同时,随着计算机技术的迅速发展,混合流体Rayleigh-Benard对流在数值模拟方面也有较大进展。 本文旨在于通过求解流体力学基本方程组,模拟矩形窄长腔体内,二成份混合流体Rayleigh-Benard对流的流场、温度场、浓度场,根据各种场的结构及特性,研究对流斑图结构及其非线性特性。论文重点计算了长高比Γ=12和20的矩形腔体,分离比Ψ=-0.6、-0.4及-0.2下的对流分叉曲线,以及沿着分叉曲线出现的各种有趣的对流斑图,其中包括目前未有报道的有缺陷的LTW、有两个缺陷的TW状态、以及缺陷源不随时间摆动的CPW;详细阐述了这些特殊行进波的对流特性及斑图形态;通过比较不同长高比和分离比下出现的同种行进波状态,探讨了各种行进波的存在区间、时空结构及其稳定性等;并对LTW状态下平均浓度参数予以论述,试图解答LTW的局部存在机理。文末,总结了斑图出现和斑图特性对长高比及分离比的依赖性,试图为Rayleigh-Benard对流下一步研究提供一定的理论基础和经验。


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